Max-Planck Forschungsgruppe entwickelt Ultra-Kurz-Messverfahren
Die genaue zeitliche Charakterisierung von Pulsen eines Freie-Elektronen-Lasers ermöglicht es jetzt, ultraschnelle Prozesse zu beobachten. Chemische Reaktionen und die Bewegung von Atomen lassen sich künftig in Zeitlupe abbilden. Die Voraussetzung dafür hat jetzt ein internationales Forscherteam geschaffen. Die Physiker haben ein Messverfahren entwickelt, mit dem sie die Ankunftszeit und das zeitliche Profil der ultrakurzen Röntgenblitze eines Freie-Elektronen-Lasers genau bestimmen können. Solche Röntgenpulse können Prozesse filmen, die in einigen Femtosekunden ablaufen. Eine Femtosekunde ist eine billiardstel Sekunde (millionstel milliardstel Sekunde). Für die extrem hohe zeitliche Auflösung müssen Wissenschaftler jedoch auch das zeitliche Profil der einzelnen Röntgenblitze mit Femtosekunden-Präzision charakterisieren. Das ist der Gruppe um Adrian Cavalieri von der Max-Planck Forschungsgruppe für Strukturelle Dynamik am Hamburger Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) nun mit Pulsen von DESYs Freie-Elektronen-Laser FLASH gelungen. Die Technik kann an jedem Freie-Elektronen Röntgenlaser der Welt eingesetzt werden.
Einzigartige Forschungsmöglichkeiten
Die extrem hellen und ultrakurzen Röntgenpulse aus Freie-Elektronen-Lasern (FEL) bieten einzigartige Forschungsmöglichkeiten. Billionen von Photonen sind in einem Blitz gebündelt – einem Puls von höchstens einigen Dutzend Femtosekunden Dauer. Allerdings können sich die genaue Ankunftszeit und sogar das zeitliche Profil der FEL-Pulse enorm von einem Puls zum nächsten verändern. Um den Röntgenlaser zum „Filmen“ ultraschneller dynamischer Prozesse zu nutzen, muss die Ankunftszeit jedes einzelnen Pulses gemessen werden. Nur so lassen sich die Einzelbilder, die mit jedem Blitz aufgenommen werden, korrekt zeitlich ordnen.
Mit Hilfe eines präzisen Timings sind Femtosekunden-FEL-Röntgenpulse so kurz, dass Atome in Bewegung, chemische Reaktionen und Phasenübergänge in Materialien mit atomarer Auflösung im Femtosekundenbereich beobachtet werden können. Die gleichzeitige Messung des Puls-Profils bietet darüber hinaus die Möglichkeit, selbst Veränderungen während der Belichtung einzelner Bilder zu verfolgen. Auf diesen Zeitskalen sind bereits die Bewegung der Elektronen und die Dynamik der Elektronenzustände von Bedeutung. Die Dynamik der Elektronen kann etwa Biomoleküle schädigen und unter Umständen zerstören, noch bevor ein kristallklares Bild aufgenommen werden konnte.